JPS63273042A - 光学的測定装置 - Google Patents

光学的測定装置

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JPS63273042A
JPS63273042A JP62107788A JP10778887A JPS63273042A JP S63273042 A JPS63273042 A JP S63273042A JP 62107788 A JP62107788 A JP 62107788A JP 10778887 A JP10778887 A JP 10778887A JP S63273042 A JPS63273042 A JP S63273042A
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optical
angle
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Kazuhisa Shigemori
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は光学的測定装置に関し、さらに詳細にいえば
、光導波路を用いて光を全反射させながら導く場合にお
けるエバネッセント波に基いて、光導波路外方の界面近
傍に存在する物質の光学的特性の測定を行なう装置に関
する。
〈従来の技術〉 従来から物質の光学的特性を測定する方法として吸光度
測定法、分光測光法等があるが、最近では、光導波路に
おけるエバネッセント波を利用して光導波路外方の界面
近傍に存在する物質の光学的特性を測定する方法が提供
されている。
上記エバネッセント波を利用した/l11定法について
詳細に説明すると、光導波路中において光が全反射しな
がら伝播する場合においては、光が屈折率が低い内側媒
質(以下、コアと略称する)に完全に閉じこめられた状
態で伝播すると一般的に考えられている。しかし、上記
光は完全にコアに閉じこめられているのではなく、一部
の光は屈折率が高い外側媒質(以下、クラッドと略称す
る)にしみ出た状態になる。
このようにクラッドにしみ出た光がエバネッセント波で
あり、スラブ型光導波路の場合には、次式で示される電
界強度Eを有することになる。
E=EOe−”p dp= (2/2πnl ) (sin2θ−(n2/
n1)l −112(但し、EOは光導波路界面におけ
る電界強度、λは入射光波長、nlはコアの屈折率、n
2はクラッドの屈折率、θは光の伝播角) 即ち、エバネッセント波は1、コア、クラッドの界面か
ら離れるにしたがって指数関数的に急激に減衰するので
あり、上記dpの値を適宜設定することにより、エバネ
ッセント波が所定値以上の電界強度を有する範囲を、上
記界面の近傍の限定された領域のみに設定することが可
能になる。
そして、このような特質に着目して、免疫分析、酵素分
析への応用(Sutherland R,M、 et、
al。
”Immunoassay at a Quartz−
Llquid Interf’ace :Theory
、Instrumentation and Prel
irAinaryApplication to th
e Fluorescent Ia+munoassa
yof’ Human [mmunoglobulin
 G ’Journal of’ Immunolog
lcal Methods 、 74(1984)1)
、253〜2B5、および Walter P、 Love  FIBER0PTI
CEVANESCENTSENSORPORFLUOR
OIMMυN0ASSAY’4th Internat
ional Conf、 on 0ptical Pl
berSensors + Tokyo 、 Japa
n (1986)参照’) 、DNAプローブへの応用
等が検討されている。
さらに詳細に説明すると、エバネッセント波を用いた測
定の対象になる光学特性としては、■光散乱、■光吸収
、或はその波長依存性(着色をも含む)、■螢光反応、
■屈折率変化が挙げられる。
また、信号光の取出し方向の面に着目すれば、■入射光
出射端から取出すもの、■入射光入射端から取出すもの
、■光導波路側面から取出すものの3種類に大別される
そして、上記■の場合に適用可能な光学特性の測定とし
ては、光散乱、光吸収、螢光(螢光物質による入射光吸
収)、屈折率変化による全反射の乱れの何れかに起因す
る入射光の減衰を信号として用いるυ1定、および導波
螢光を信号として用いる測定(但し、この場合には、入
射光と螢光とが重畳されるのであるから実際上困難を伴
なうことになる)が可能である。
上記■の場合に適用可能な光学特性の測定としては、導
波散乱光、或は、導波螢光を信号として用いる測定が可
能である。
上記■の場合に適用可能な光学特性の測定としては、散
乱光、散乱螢光、屈折率変化による全反射の乱れの何れ
かを信号として用いる測定が可能である。
そして、エバネッセント波を利用した測定用の具体的な
装置として、第6図に示す構成のものが提案されている
(スイス国特許出願明細書第2799785−2号参照
)。
さらに詳細に説明すると、偏平な光導波路(11)の上
面に測定対象物質収容ケーシング(12)を一体的に設
けているとともに、光導波路(11)の両端部下面に模
型プリズム(13) (14)を一体的に設けている。
そして、一方の模型プリズム(13)の、光導波路(1
1)と直角な端面から光を入射させ、模型プリズム(1
3)のテーパ面において入射光を反射させることにより
、光導波路(11)に対して臨界角よりも大きい角度で
入射させ、全反射させながら伝播させることができる。
そして、この場合において、エバネッセント波が界面近
傍の物質に影響を及ぼすのであるから、この影響を受け
た光、例えば螢光、または吸収、減衰を受けた入射光等
が再び光導波路(11)に導入され、全反射しながら伝
播し、最終的に模型プリズム(13)(14)の光導波
路(11)と直角な端面から出射し、または散乱光、螢
光等が散乱放射される。
したがって、この出射光を受光素子により受光させ、受
光素子から出力される電気信号に必要な処理を施すこと
により、界面近傍に存在する物質の特性を光学的に測定
することができる。
また、上記の構成においては、入射光軸を光導波路(1
1)と平行にした状態で光導波路に対する入射角度を臨
界角よりも大きくすることができ、光軸調整を容易化す
ることができるという利点を有することになる。
〈発明が解決しようとする問題点〉 上記の構成の光学的測定装置においては、光導波路(1
1)に対する入射角度を正確に設定するために、模型プ
リズム(13)のテーパ面と光導波路との角度(第6図
中α参照)と、光の入射面の光導波路(11)に対する
角度(第6図中α参照)と、光の入射角度(第6図中β
参照)とを正確に設定しなければならないのであるから
、これらが僅かに変化しただけで、導波光伝播角が大幅
に変化することになり、したがって、照射領域の厚みd
pの設定が非常に困難になってしまうという問題がある
この点について詳細に説明すると、模型プリズム(13
)に対する光の入射角度が変化した場合には、屈折率の
比に基いて定まる変化率で模型プリズム(13)のテー
パ面に対する入射角度が変化する。そして、テーパ面に
対する入射角度が変化すれば、反射角度も同一角度だけ
変化することになる。即ち、光導波路(11)に対する
入射角度(以下、伝播角と称する)θは、 θ−π/ 2 + 7−2 a −5in−’[51n
(7−β)/nl(但し、nは光導波路(11)、およ
び模型プリズム(13)の屈折率) となる。そして、β、γが十分に小さい場合には、θ嬌
π/2−2α+β/n+ (n−1)γ/nとなる。
したがって、α、β、γによる伝播角θの変化率aθ/
aα、eθ/aβ、aθ/aγは、aθ/aα−−2、 aθ/”aβ’、  1 / n s aθ/aγ′、(n−1)/n となる。これらの変化率から明らかなように、光導波路
(11)の界面に対する照射領域の厚みを決定する伝播
角θに対する模型プリズム(13)の加工精度、即ち、
角度α、γの精度による影響は、2+(n−1)/n倍
になってしまい、照射領域の厚みを正確に設定するため
の加工精度を著しく高めなければならないことになる。
以上要約すれば、模型プリズム(13)のテーパ面の角
度が変化すれば、変化角度の2倍の光導波路に対する入
射角度の変化が生じるので、模型プリズム(13)の精
度を著しく向上させることが必要になり、模型プリズム
(13)の製造が困難になってしまうという問題がある
。このような問題は、信号光を取出す方向に基く区分(
上記■■■)に拘わらず発生することになる。
また、模型プリズム(13)に対する入射光を光導波路
と平行に設定した場合には、入射端面における反射光量
を少なくすることができるという利点を冑しているので
あるが、入射光軸と反射光軸とが一致するのであるから
、測定方法によっては(上記■の方法)、反射光が大き
なノイズとじて作用し、測定精度を著しく低下させてし
まうことになるという問題がある。
この点について詳細に説明すると、上記■の方法のよう
に、後方散乱光を用いる方法を採用した場合、或は、螢
光物質とリンクさせて螢光の後方導波を用いる方法を採
用した場合には、界面近傍に存在する物質の影響を受け
た信号光が入射光軸とほぼ一致する状態で模型プリズム
(13)から出射されるのであるから、ビームスプリッ
タ、ダイクロイックミラー等を使用して入射光と信号光
とを分離することになる。このような方法の適用として
は、例えば、螢光物質と固定化抗体との組合せによる螢
光免疫分析法が挙げられ、光導波路表面の不完全さく例
えば、疵、気泡、粒子の付着等)に起因して入射光が散
乱された場合における散乱入射光の影響を完全に排除す
ることができること、およびエバネッセント波の影響を
受けた螢光のみが導波され、いわゆる濃縮された螢光に
なって高輝度となるため、検出感度を高めることかがで
きるという利点を達成することができる。
そして、上記の構成を採用すれば、入射光と信号光とを
完全に分離し、信号光のみを受光素子(通常、信号光強
度が著しく低いので、光電子増倍管が使用される)に導
くことにより、信号光に対応する電気信号を取出すこと
ができる。
しかし、入射面における光の反射を全く零にすることは
殆ど不可能であり(例えば、空気中から屈折率が1.5
のガラスに対して垂直に光を入射させる場合における反
射率が約4〜6%)、入射光のうち、ある程度の量の光
は入射面で反射され、上記信号光とほぼ同一の経路を通
って受光素子に導かれることになる。しかも、信号光強
度と比較して反射光強度の方が高いのであるから、測定
精度が著しく低下してしまうことになるのである。
この問題点については、レーザ光のような単色性が高い
入射光を使用した場合には、高い波長選択性を有するフ
ィルタを使用すること等により反射光と信号光とを分離
することができるのであるが、余り単色性が高くない入
射光を使用した場合には、フィルタ等を介在させても余
り分離効率を高めることができず、測定精度の低下を余
り抑制することができないのである。
〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
光導波路に対する入射角度を高い精度で制御することが
できるとともに、入射光軸を光導波路と平行にすること
ができる光学的測定装置を提供することを、目的として
いる。
く問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための、この発明の光学的測定装
置は、光導波路に対する光入射部が導波路軸に対して所
定角度傾斜した光入射面を有しており、さらに、光入射
面に対して所定の入射角度で光を入射させる光源を有し
ているものである。
但し、上記光導波路と光入射部とが一体成形されていて
もよく、或は、別体に成形されており、かつ、両者が一
体的に接合されていてもよい。
これらの場合において、光導波路の側面に測定対象物質
収容部が設けられていてもよく、この測定対象物質収容
部が光導波路と一体成形されていてもよい。
また、上記光入射面に対する光の入射角度がブリュース
ター角に設定されていてもよい。
さらに、上記光導波路と外部媒質との界面近傍に存在す
る物質の特性による影響を受けた光が、光導波路に垂直
な方向に信号光として出射されるものであってもよく、
また、光入射側と反対の側において信号光として出射さ
れるものであってもよく、逆に、光入射側において信号
光として出射されるものであってもよい。
く作用〉 以上の構成の光学的測定装置であれば、光導波路の内部
に導入した光を全反射させながら進行させる場合におい
て、光導波路の界面近傍において生ずるエバネッセント
波が、光導波路と外部媒質との界面近傍に存在する物質
に影響を及ぼし、影響を受けることにより変化され、或
は新たに生成された光を光導波路を通して導き、外部に
出射させて受光素子により受光させることにより、上記
物質の特性に対応する電気信号を生成することができる
そして、導波光伝播角θについては、光入射面の角度、
および入射光の角度のみにより定まるのであるから、光
導波路に対する光入射面の角度、および入射角度を制御
するだけで、光導波路に対する入射角度を高精度で設定
することができ、光導波路に対する入射角度に大きく影
響を及ぼすテーパ面を不要にすることができる。
したがって、入射光軸と導波光軸とのなす角度をβ、導
波光軸と入射面とのなす角度をαとすれば、伝播角θは θ−sin””(cos (α+β)/nl+aとなる
ので、α、βによる伝播角θの変化率aθ/θα、aθ
/aβは、 aθ/ a a −1−sin (α+β)/n/[1
−(cos(α + β)/nl  2 コ l/2a
θ/aβ−sin (α+β)/n/[1−(cos(
α+β) /n) ” ] l12となる。
ここで、0くα+βくπであるから、 0くaθ/δα≦1゜ −1くeθ/aβ≦0 となり、従来例の場合と比較して加工精度の影響が著し
く軽減されることになる。
そして、上記光導波路と光入射部とが一体成形されてい
る場合であっても、或は、別体に成形されており、かつ
、両者が一体的に接合されている場合であっても、上記
と同様の作用を達成することができる。
これらの場合において、光導波路の側面に測定対象物質
収容部が設けられている場合には、測定対象物質収容部
に測定対象物質を収容するだけで確実な保持を達成する
ことができる。そして、この測定対象物質収容部が光導
波路と一体成形されている場合であっても、上記と同様
の作用を達成することができる。
また、上記光入射面に対する光の入射角度がブリニース
ター角に設定されている場合には、入射光を所定の偏波
成分のみを有する光とすることにより、入射面における
反射成分を皆無とすることができる。
さらに、上記光導波路と外部媒質との界面近傍に存在す
る物質の特性による影響を受けた光が、光入射側と反対
の側において信号光として出射されるものである場合に
は、光入射側と反対側に受光素子を配置することにより
、物質の特性に対応する電気信号を得ることができる。
逆に、上記光導波路と外部媒質との界面近傍に存在する
物質の特性による影響を受けた光が、光入射側において
信号光として出射されるものである場合には、入射面に
おける反射光の方向と信号光の出射方向とが大幅に異な
る方向になるのであるから、信号光のみを受光素子に導
き、ノイズ成分が非常に少ない電気信号を得ることがで
きる。
〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。
第1図はこの発明の光学的測定装置の一実施例を示す概
略図であり、所定厚みの平板部を光導波路(1)として
いるとともに、光導波路(1)の両端部下面に模型プリ
ズム部(2) (3)を一体形成している。そして、模
型プリズム(2)の光入射面、および模型プリズム(3
)の光出射面を光導波路(1)と直交する面に対して所
定角度だけ傾斜させられている。また、上記光導波路(
1)の上面に測定対象物質収容部(4)を一体形成して
いるとともに、免疫検査を行なうための抗体(5)が固
定されている。さらに、上記模型プリズム(2)の光入
射面に対する入射光軸上にビームスプリッタB)を設け
ているとともに、ビームスプリッタ(8)に基いて定ま
る受光位置に光電子増倍管(9)を設けている。尚、上
記光入射面に導かれる光としては、レーザ光が最も好ま
しいが、発光ダイオード等からの出力光をレンズにより
集束させたものを使用してもよい。
上記の構成の光学的測定装置により免疫検査を行なう場
合の動作は次のとおりである。
先ず、測定対象物質収容部(4)に検体を含む溶液を注
入することにより、固定された抗体(5)に対して抗原
抗体反応を行なわせ、免疫の程度に対応する量の抗原(
6)を抗体(5)に結合させる。次いで、上記構体を含
む溶液を排出し、識別物質としての螢光物質を付着させ
た抗体(7)を含む溶液を注入する。
その後、ビームスプリッタ(8)をそのまま透過した入
射光を模型プリズム(2)の入射面に導けば、光導波路
(1)に対する入射光の角度β、光導波路(1)に対す
る入射面の角度α、および屈折率の比に基いて定まる伝
播角θで光導波路(1)に入射し、全反射を繰返しなか
ら光導波路(1)を伝播していく。
この場合において、光導波路(1)の界面には、伝播角
θに基いて定まる所定距離(通常、波長より短い距離)
の範囲内に対してエバネッセント波による影響が生じる
ことになる。したがって、抗原(6)に結合した抗体(
7)に付着させられている螢光物質にエバネッセント波
が照射され、螢光物質が螢光を発することになる。
この螢光は、上記所定距離の範囲内において生ずるもの
であるから、一部が光導波路(1)の内部に導かれた後
、全反射を繰返しながら伝播する。但し、伝播方向は一
方のみに限定される訳ではなく、模型プリズム(2)に
向かう方向、および模型プリズム(3)に向かう方向の
何れにも同程度の伝播が行なわれる。
そして、模型プリズム(2)に向かう方向に伝播した螢
光は、入射面において屈折されることにより、入射光と
逆の方向に出射されるのであるから、ビームスプリッタ
[F])により光電子増倍管(9)に導くことができ、
螢光物質を付着させた抗体(7)の量に対応する電気信
号を得ることができる。尚、入射光が入射面に導かれる
ことに起因する反射光は、入射光の方向とは大幅にずれ
た方向に導かれるのであるから、上記螢光の出射方向と
は大幅にずれた方向になり、物理的に簡単に分離するこ
とができる。
したがって、この電気信号により免疫の有無、免疫の程
度等を検出することができる。
さらに詳細に説明すれば、測定対象溶液収容部(4)に
は、多量の抗体(7)が収容されており、しがち全ての
抗体(7)に螢光物質が付着させられているのであるが
、抗原抗体反応を行なった抗体(7)にのみエバネッセ
ント波の影響が及ぼされ、他の抗体(7)にはエバネッ
セント波の影響が全く及ぼされないのであるから、信号
光としては、抗原抗体反応を行なった抗体(7)の量に
対応する螢光のみになる。
勿論、エバネッセント波の影響が全く及ぼされない抗体
(7)から、他の要因に起因する螢光の発生があっても
、このような螢光は、光導波路(1)に導入された場合
に、必ず臨界角よりも小さい角度で壁面に導かれること
になるのであるから、光導波路(1)を伝播することは
全くなく、測定精度を低下させるおそれは全くないこと
になる。
第2図は屈折率nが1.5の材質で光導波路(1)、お
よび模型プリズム(2) (3)を形成した場合におい
て、角度αを15°、30@、45’ 、60@。
75@にそれぞれ設定した場合における伝播角θの入射
角βに対する依存性を示す図であり、入射角βの変化に
対する伝播角θの変化率をほぼ一定に保持することがで
きる領域がかなり広く存在することが分り、これ以外の
領域においても伝播角θの変化率の変動が非常に少ない
ことが分る。
また、全体として伝播角θの変化率が0.7よりも小さ
い値になっている。
さらに、上記実施例において、入射光の波長を633n
o+とじ、光導波路(1)、模型プリズム(2)の材質
を、波長633 nmに対する屈折率が1.58のポリ
スチレンとし、伝播角θを65°とし、入射角βを0″
とする場合においては、模型プリズム(2)の頂角αを
32.9@とすればよい。
第3図は他の実施例を示す要部概略図であり、上記実施
例と異なる点は、測定対象溶液収容部(4)の側壁を、
模型プリズム■の入射面の投影形状と等しく設定した点
、および図示しない模型プリズムG)の出射面の投影形
状と等しく設定した点のみであり、他の部分の構成は同
一である。
したがって、この実施例の場合には、模型プリズム(り
の入射面から信号光が出射する場合における反射光が測
定対象溶液収容部(4)の内部に導かれることを確実に
防止することができるとともに、上記入射面から導入さ
れた伝播光が模型プリズム(3)の出射面から出射する
場合における反射光が測定対象溶液収容部(4)の内部
に導かれ、不要な螢光を発生させることをも確実に防止
することができる。尚、上記入射面における信号光の反
射は非常に少なく、無視できる程度であるから、模型プ
リズム(3)に対応する部分のみを厚肉にすれば十分で
ある。
第4図はさらに他の実施例を示す要部概略図であり、模
型プリズム(2)に代えて二等辺三角形状のプリズムを
採用した点が異なるのみであり、他の部分の構成は同一
である。
そして、この実施例の場合にも、プリズムのうち実際に
光の伝播に関与するのは入射面のみであるから、上記第
1図に示す実施例と同様に高精度での免疫検査を行なう
ことができる。
第5図はさらに他の実施例を示す要部概略図であり、光
導波路(1)と模型プリズム(2) (3)とを別体で
形成しておき、それぞれ一体的にした点が異なるのみで
あり、他の部分の構成は第1図の実施例と同一である。
したがって、この実施例の場合には、模型プリズム(,
2)と光導波路(1)との間の屈折を考慮しなければな
らないのであるが、プリズム(2)の頂角α、および入
射角βを設定するのみでよいから、伝播角θの制御を容
易に行なうことができる。
具体的には、光導波路(1)を屈折率が1.479のコ
ーニング#7740ガラスで形成するとともに、模型プ
リズム(2)を屈折率が1.463のプリズムQuar
tsで形成し、入射角βを0°、伝播角θを67.5@
に設定する場合には、模型プリズム(2)と光導波路(
1)との界面における屈折を考慮すれば、プリズム頂角
αを35.0’に設定すればよい。
尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば測定対象溶液収容部(4)に酵素を固定してお
いて、酵素反応により着色物質を生成する測定対象物質
の量を入射光量に対する減衰量に基いて検出することが
可能である他、この発明の要旨を変更しない範囲内にお
いて種々の設計変更を施すことが可能である。
〈発明の効果〉 以上のようにこの発明は、測定対象物質の特性をエバネ
ッセント波により光学的に測定するための光導波路に対
して、入射面における屈折を1回行なわせるだけで所定
の伝播角を得ることができるようにしているのであるか
ら、入射面の角度を設定するためのの精度を余り高める
ことなく、高精度でエバネッセント波の作用領域深さを
正確に設定することができるという特有の効果を奏する
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の光学的測定装置の一実施例を示す概
略図、 第2図は伝播角の変化割合を示す図、 第3図から第5図はそれぞれ他の実施例を□示す要部概
略図、 第6図は従来例を示す概略斜視図。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、光導波路の内部に導入した光を全反射 させながら進行させる場合において生ず るエバネッセント波により、光導波路と 外部媒質との界面近傍に存在する物質の 光学特性の測定を行なうようにした光学 特性測定装置において、光導波路に対す る光入射部が周面に対して所定角度傾斜 した光入射面を有しており、さらに、光 入射面に対して所定の入射角度で光を入 射させる光源を有していることを特徴と する光学的測定装置。 2、光導波路と光入射部とが一体成形され ている上記特許請求の範囲第1項記載の 光学的測定装置。 3、光導波路と光入射部とが別体に成形さ れているとともに、両者が一体的に接合 されている上記特許請求の範囲第1項記 載の光学的測定装置。 4、光導波路の側面に測定対象物質収容部 が設けられている上記特許請求の範囲第 1項から第3項の何れかに記載の光学的 測定装置。 5、測定対象物質収容部が光導波路と一体 成形されている上記特許請求の範囲第4 項記載の光学的測定装置。 6、光入射面に対する光の入射角度がブリ ュースター角である上記特許請求の範囲 第1項記載の光学的測定装置。 7、光導波路と外部媒質との界面近傍に存 在する物質の光学的特性による影響を受 けた光が、光導波路とほぼ直角な方向に 信号光として出射される上記特許請求の 範囲第1項記載の光学的測定装置。 8、光導波路と外部媒質との界面近傍に存 在する物質の光学的特性による影響を受 けた光が、光入射側と反対の側において 信号光として出射される上記特許請求の 範囲第1項記載の光学的測定装置。 9、光導波路と外部媒質との界面近傍に存 在する物質の光学的特性による影響を受 けた光が、光入射側において信号光とし て出射される上記特許請求の範囲第1項 記載の光学的測定装置。
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